The purpose of this thesis is to develop a high power, compact all solid-state blue laser, which is applicable in micro machining, LIDA, underwater ranging, biochemical techniques and so forth. The passive Q-switching technique, which is known to be a low-cost and simple method to raise the laser peak power was employed in this thesis. In the mean time, the intracavity-doubling technique was integrated to achieve the non-linear frequency conversion for generating blue laser at low cost. Based on our research finding, the reabsorption loss due to thermal effect and a paucity of suppression at wavelength of 1064 nm on laser mirrors could cause the four-level oscillation at 1064 nm instead of three-level oscillation at 914nm. Improvement in heat dissipating system, and suppression at wavelength of 1064 nm on mirror coating has led to a success in developing a quasi-three-level blue laser with peak power of 114W at wavelength 473 nm. A modified rate equation model of the quasi-three level passively Q-switched blue lasers was developed as well, in which the influence of the re-absorption loss in the gain medium and its intracavity frequency doubling were both considered. The influence of reabsorption loss upon the laser power deduction was studied by numerical simulation in order to optimize the laser performance.

Le laser est devenu un outil très riche depuis sa création en 1960. Ses applications sont très variées et il a intégré tous nos outils du quotidien. Décliné sous leur forme impulsionnelle, les lasers se sont encore ouverts d'autres champs d'application tels que l'usinage, la découpe, le marquage ou le nettoyage de matériaux; ou encore la médecine et le bien-être et également les capteurs et notamment les capteurs embarqués. Les lasers impulsionnels à déclenchement passif (Q-Switch) sont tout particulièrement adaptés à ce dernier champ d'application de par leur suffisance énergétique, utilisant l'énergie du laser lui-même pour créer des impulsions lasers très énergétiques dont la durée est de l'ordre de la nanoseconde. Les lasers réalisés sur substrat de verre se sont avérés également très adaptés à la fabrication de dispositifs de captation embarquée : ils montrent une grande stabilité, de fortes résistances mécanique et chimique les rendant utilisables dans un large panel de conditions environnementales. A l'IMEP-LaHC, des lasers réalisés par échange d'ions argent/sodium dans des substrats de verre phosphate dopés à l'erbium et à l'ytterbium ont été réalisés. Des lasers impulsionnels ont également été réalisés en utilisant cette technologie de guides d'ondes planaires en interaction avec des couches minces d'acétate de cellulose dopé à un colorant nommé BDN possédant les propriétés d'absorption saturable nécessaires à la naissance d'un comportement Q-Switch. Ces lasers permettent déjà de s’orienter vers la captation embarquée. Cependant, certaines applications nécessitent encore plus de puissance et surtout une meilleure résistance à l'environnement que celle proposée par l'acétate de cellulose. Afin de répondre à toutes ces attentes, nous présentons dans ce manuscrit la fabrication d’absorbants saturables à partir de matrices sol-gel et dopées au BDN afin de créer des guides d'ondes absorbants saturables. Des méthodes de caractérisation et des simulations spécifiques d’absorption saturable sont développés afin de décrire le comportement de tels dispositifs et d’évaluer la pertinence du choix de telles matrices alliées au colorant BDN afin de créer des lasers Q-Switch en optique intégrée sur verre. / Since its creation in 1960, laser has become a really useful tool. Lasers are very versatile and they has become part of many of our everyday life tools. Coming in their pulsed form, lasers have opened-up others fields of application such as machining, cutting, marking or cleaning materials; or medicine and well-being and also sensors and in particular embedded sensors. Passively Q-Switched lasers are particularly adapted to this last field of application thanks to their energetic self-sufficiency, using the energy of the laser itself to create very energetic laser pulses whose duration order is about the nanosecond. The lasers made on optical glass wafers have also proved very suitable for the manufacture of on-board sensing devices: they show great stability, strong mechanical and chemical resistance, making them usable in a wide range of environmental conditions. At IMEP-LaHC, lasers made by silver / sodium ion exchange in erbium and ytterbium doped phosphate glasses were made. Pulsed lasers have also been realized using this planar waveguide technology in interaction with thin films of cellulose acetate doped with a dye named BDN, having the saturable absorption properties needed for the emergence of Q –Switch operation. These lasers can already address on-board sensing applications. However, some applications require even more power and above all a better environmental resistance than that proposed by cellulose acetate. In order to meet all these expectations, we present in this manuscript the production of saturable absorbers from BDN-doped sol-gel matrices to create saturable absorber waveguides. Specific characterization methods and saturable absorption simulations are developed to describe the operation of such devices and to evaluate the relevance of the choice of such matrices allied with BDN dye in order to create glass integrated Q-Switched lasers.

De nombreux capteurs optiques, tels que les LIDARS, nécessitent des sources laser à la fois puissantes et spectralement fines. Dans ce contexte, l'objectif de ce projet est la réalisation de sources laser impulsionnelles intégrées, dont les caractéristiques spectrale et temporelle atteignent la limite théorique prédite par la théorie de Fourier. Pour ce faire, nous proposons une structure laser de type DFB avec un fonctionnement déclenché. La technologie de l'échange d'ions est retenue pour réaliser des guides d'onde amplificateurs dans un verre phosphate dopé ytterbium. La cavité DFB est ensuite constituée par gravure d'un réseau de Bragg à la surface des guides amplificateurs. Le comportement impulsionnel est obtenu par dépôt, sur la structure précédente, d'une couche mince d'acétate de cellulose dopée avec l'absorbant saturable BDN. Cette structure nous a permis d'obtenir des lasers impulsionnels monomodes longitudinaux dont les caractéristiques spectrales atteignent la limite de Fourier. Une étude en concentration d'absorbant saturable du superstrat montrent une variation de la durée des impulsions de 2,5 ns à 100 ns avec des puissances crêtes respectives de 30 W et 14 W. Nous parvenons donc à des spectres de largeur à mi-hauteur de valeur 9 MHz. Ces résultats ouvrent la voie à la réalisation de sources laser compactes pour les lidars embarqués. / Various optical sensors, such as LIDARs, need laser sources both powerful and narrow-linewidth. In this context, the aim of this project is the realization of integrated pulsed laser sources with a Fourier Transform Limited (FTL) spectrum. To do so, we propose a passively Q-switched DFB laser structure. Ion-exchange technology is used to realize amplifier waveguides on Ytterbium-doped phosphate glass. The DFB cavity is made by dry etching of a Bragg grating on the waveguides surface. The Q-Switched behavior is obtained by depositing a BDN-doped cellulose acetate coating layer, acting as a saturable absorber. This structure allowed us obtaining FTL single-frequency pulsed lasers. When studying the impact of BDN concentration, we observe pulses ranging from 2,5 ns with 40 W peak power, to 100 ns with 14 W peak power. Thus, our device FWHM linewidth goes down to 9 MHz. These results pave the way for the realisation of compact laser sources for embedded lidar systems.

La Résonance Quadrupolaire Nucléaire (RQN) est une technique spectroscopique appliquée à l’état solide et qui ne nécessite aucun champ magnétique statique contrairement à la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Elle permet de détecter, les molécules qui contiennent un noyau quadrupolaire (tel que l'azote-14). La RQN de l’azote-14 suscite un intérêt particulier car elle s'avère utile dans la détection de drogues et d’explosifs, qui contiennent, pour la plupart, des molécules azotées. Cette thèse porte en premier lieu sur l’amélioration de la qualité spectrale en résonance quadrupolaire (RQN) de l’azote-14. Ainsi, nous nous sommes préoccupés des signaux transitoires (ringing) qui suivent l’impulsion radiofréquence (rf) et qui masquent en partie le signal RQN. Nous avons d’abord montré, par une étude théorique et expérimentale, que les mesures à basse puissance (< 3Watts) étaient possibles, ce qui nous a permis de diminuer l’amplitude du ringing. De plus, grâce à ce mode de fonctionnement (basse puissance), nous avons pu proposer un circuit original de commutation du facteur de qualité (Q-switch) basé sur un commutateur rf CMOS et qui a permis de diminuer la durée du ringing. La seconde partie traite de l’influence d’un champ magnétique statique faible amplitude et des divers paramètres expérimentaux en RQN de l’azote-14. Dans le cas où le tenseur de gradient de champ électrique est de symétrie axiale, nous avons observé des élargissements, voire des doublets Zeeman. En revanche, dans le cas général (absence de symetrie), nous avons mis en évidence la possibilité définir le tenseur de gradient de champ électrique à partir de la forme de raie d’une seule transition au lieu de deux transitions (sans champ magnétique statique). Ce dernier résultat pourrait permettre de diminuer de moitié le temps nécessaire à la caractérisation d’une nouvelle molécule azotée. / Nuclear quadrupole resonance (NQR) is a solid-state spectroscopic technique which doesn't require a static magnetic field in contrast to Nuclear Magnetic Resonance (NMR). It is used to detect molecules containing quadrupole nuclei (such as nitrogen-14). Nitrogen-14 quadrupole resonance is of particular interest because it is useful in the detection of drugs and explosives, which contain mostly of nitrogen molecules. In this thesis we have primarily focused on improving the spectral quality in nitrogen-14 quadrupole resonance (NQR) . Thus, we were concerned with the transient signals ( ringing ) following the radiofrequency (rf) pulse and which partly overwhelm the NQR signal. First, we demonstrated by theoretical and experimental study that low power measurements (< 3Watts ) were possible, allowing us to reduce the ringing amplitude. In addition, through this mode ( low power ), we have proposed an original quality factor switching circuit (Q -switch ) based on rf CMOS switch and which has reduced the ringing duration. The second part deals with the effect of a weak static magnetic field and various experimental parameters in nitrogen-14 quadrupole resonance. In the case of an axially symmetric electric field gradient tensor, we observed broadening or Zeeman doublets. By contrast, in the general case (no symmetry), we demonstrated the possibility to define the electric field gradient tensor from the line shape of a single transition instead of two transitions ( without static magnetic field ). This result reduces by half the time required for the characterization of a new nitrogen molecule.

Ce travail de thèse a eu pour but de développer des nouvelles sources lasers, oscillateurs et ampli?cateurs, construites autour des ?bres dopées aux ions ytterbium. Ces systèmes lasers génèrent des fortes puissances moyennes. L’oscillateur réalisé délivre des impulsions courtes (<10 ns) avec des énergies de l’ordre du milliJoule. Le système fonctionne à des cadences variables (10-100 kHz) avec un faisceau polarisé, monomode dont la largeur spectrale est inférieure à 0.1 nm. A?n d’avoir de plus fortes puissances crêtes et des impulsions courtes, deux types d’ampli?- cateurs ont été étudiés. Les résultats expérimentaux que nous avons obtenus sont en accord avec le modèle numérique développé. Le premier système ampli?e un microlaser émettant à 1064 nm dans une ?bre dopée ytterbium. Des puissances crêtes supérieures à 500 kW ont été obtenues avec des impulsions de l’ordre de la nanoseconde et une cadence comprise entre 1 kHz et 30 kHz. Le second ampli?cateur est construit autour d’un oscillateur à ?bre dopée ytterbium déclenché injecté dans une deuxième ?bre qui constitue l’ampli?cateur. L’originalité de ce système réside dans le cou- plage de deux cavités. Nous avons alors en sortie deux faisceaux cohérents, polarisés, monomode, indépendamment ajustables en énergie. En?n, nous avons utilisé les sources lasers développées, qui présentent des caractéristiques spec- trales, modales, énergétiques adéquats pour effectuer la conversion de fréquence. Des ef?cacités de l’ordre de 64 % et 38 % ont été atteintes respectivement en doublage et en triplage. Les faisceaux en sortie de ces systèmes possèdent des remarquables caractéristiques spatiales et temporelles. / This work presents the development of oscillators and ampli?ers build around new ytterbium rod type ?ber. These ?ber systems generate high average power generation. The oscillator makes it possible to deliver well linearly polarized, almost TEM 00 mode, and millijoule-level nanosecond pulses at a tunable repetition rate (10-100 kHz). The spectral bandwidth was shown to be less than 0.1 nm. To achieve higher peak power and shorter pulses, two types of ampli?ers have been developed and characterized. The experimental results we obtain, do well agree with the numerical simulations we developped. The ?rst system ampli?es in a rod type ?ber the nanosecond pulses yielded by a microlaser working at 1064 nm wavelength injected . Its provides pulses with a high peak power system (500 kW). Its repetition rate was tuned from 1 kHz to 30 kHz. The second ampli?er was built using a Q-switched ytterbium doped ?ber oscillator injected in a second ?ber which acts as ampli?er. In this original system the two cavities are coupled. It delivers two nanosecond pulses that are coherent, polarized, almost TEM00 single mode beams and that can have independently tunable pulse energies. We have shown that these oscillators and ampli?ers can be easily doubled and tripled in fre- quency. Very high ef?ciency of about 64 % and 38 % have been achieved respectively at 2? and 3?. These outputs have been to have remarquable spatial and temporal characteristics.

Parmi les nombreuses applications des sources laser, certaines nécessitent une propagation du faisceau dans l'atmosphère sur plusieurs kilomètres : télémétrie, désignation, ou encore imagerie active. Pour éviter tout risque oculaire tout en proposant de plus grandes portées, ces applications doivent faire appel à des sources laser émettant une longueur d'onde dans la gamme à sécurité oculaire autour d'un minimum local d'absorption de l'atmosphère (1550-1650 nm). De telles sources existent déjà commercialement, mais ne répondent pas aux exigences militaires de compacité, de consommation électrique, de performance et de fonctionnement sur une large gamme de température (-40°C/+60°C).Mes travaux de thèse tentent d'apporter une réponse à l'ensemble de ces exigences. Avec l'aide des partenaires industriels Fibercryst et Cilas, ils portent sur la réalisation de sources laser compactes et efficaces à fibre cristalline Er3+:YAG directement pompée par une diode laser pour des applications militaires.A l'aide d'un algorithme de simulation d'un laser Er3+:YAG déclenché passivement élaboré et affiné durant la thèse, plusieurs sources sont réalisées expérimentalement. L'étude autour des absorbants saturables pour le déclenchement passif a permis une amélioration notable des caractéristiques du faisceau.Ces recherches, dont les résultats peuvent déjà présenter un certain intérêt commercial, ouvrent la voie vers de nouvelles techniques et architectures autour des sources laser à cristaux dopés aux ions erbium pour la conception de futurs prototypes plus performants. / Among the several applications of laser sources, some requires kilometers range propagation in the atmosphere : telemetry, guidance system or active imagery. High pulse energy improves the range of the system, but may cause permanent blindness to an observer's eyes. Hence, these applications must use laser beam which wavelength are located in the eye-safe region, ideally at the local minimum of the atmosphere absorption (1550-1650 nm). Such laser sources are already commercially available, but are not suited for the demanding military needs : compacity, electrical consumption, performance and large operating temperature range (-40°C/+60°C).My work aims to develop a laser source filling these specifications. Thanks to the collaboration with the industrial partners Fibercryst and Cilas, it focuses on the design of a compact, efficient, directly diode-pumped Er3+:YAG single cristal fiber laser for military applications.With a homemade numerical simulation of a passively Q-switched Er3+:YAG laser source, many laser emitters are experimentally designed and compared. Further studies around saturable absorbers allowed sensible improvements of the output pulse energy.This work, whose results may already be commercially interesting, may lead to new technics and architectures of erbium doped solid-state laser for better prototypes.

Le développement des sources supercontinuum a engendré des avancées majeures dans de nombreux domaines tels que la spectroscopie, la métrologie ou encore la biologie avec la tomographie optique cohérente. Récemment, l'arrivée des fibres à cristaux photoniques (FCPs) a permis la fabrication de telles sources avec des lasers impulsionnels de pompe moins puissants. Ainsi, de par leur compatibilité avec les fibres optiques, les lasers impulsionnels réalisés en optique intégrée sur verre semblent une alternative intéressante pour la réalisation d'une source supercontinuum intégrée. Notre travail a donc eu pour objectif l'étude et la réalisation d'un laser impulsionnel déclenché par modulation passive des pertes assez puissant et compatible avec les fibres à cristaux photoniques dans le but de générer un supercontinuum. Nous avons alors conçu et fabriqué ce laser constitué d'un guide d'onde amplificateur réalisé par échange d'ions dans un verre dopé au néodyme et d'une cavité Fabry-Perot fermée par un miroir diélectrique en entrée et sans miroir de sortie ce qui permet un couplage direct avec une fibre optique. L'hybridation de l'absorbant saturable sous la forme d'une couche mince d'acétate de cellulose dopée au BDN sur le guide d'onde a permis la génération d'impulsions ayant une puissance crête de (2,8 ± 0,6) kW. La source supercontinuum réalisé avec une FCP pompée par le laser préalablement étudié présente un spectre allant de 440 nm à 1600 nm. Les perspectives de cette étude portent sur le changement de matériau absorbant saturable pour permettre l'émission d'impulsions plus puissantes, ainsi que sur l'intégration monolithique de la FCP pour réaliser un dispositif encore plus compact. Elles portent aussi sur la réalisation de lasers intégrés à modes bloqués utilisant cette technologie. Nous avons démontré sa faisabilité ainsi que son régime de fonctionnement en soliton dissipatif. Des caractérisations préliminaires ont également été effectuées.

Le développement des sources supercontinuum a engendré des avancées majeures dans de nombreux domaines tels que la spectroscopie, la métrologie ou encore la biologie avec la tomographie optique cohérente. Récemment, l'arrivée des fibres à cristaux photoniques (FCPs) a permis la fabrication de telles sources avec des lasers impulsionnels de pompe moins puissants. Ainsi, de par leur compatibilité avec les fibres optiques, les lasers impulsionnels réalisés en optique intégrée sur verre semblent une alternative intéressante pour la réalisation d'une source supercontinuum intégrée. Notre travail a donc eu pour objectif l'étude et la réalisation d'un laser impulsionnel déclenché par modulation passive des pertes assez puissant et compatible avec les fibres à cristaux photoniques dans le but de générer un supercontinuum. Nous avons alors conçu et fabriqué ce laser constitué d'un guide d'onde amplificateur réalisé par échange d'ions dans un verre dopé au néodyme et d'une cavité Fabry-Perot fermée par un miroir diélectrique en entrée et sans miroir de sortie ce qui permet un couplage direct avec une fibre optique. L'hybridation de l'absorbant saturable sous la forme d'une couche mince d'acétate de cellulose dopée au BDN sur le guide d'onde a permis la génération d'impulsions ayant une puissance crête de (2,8 ± 0,6) kW. La source supercontinuum réalisé avec une FCP pompée par le laser préalablement étudié présente un spectre allant de 440 nm à 1600 nm. Les perspectives de cette étude portent sur le changement de matériau absorbant saturable pour permettre l'émission d'impulsions plus puissantes, ainsi que sur l'intégration monolithique de la FCP pour réaliser un dispositif encore plus compact. Elles portent aussi sur la réalisation de lasers intégrés à modes bloqués utilisant cette technologie. Nous avons démontré sa faisabilité ainsi que son régime de fonctionnement en soliton dissipatif. Des caractérisations préliminaires ont également été effectuées. / Supercontinuum sources made possible major break through in spectroscopy metrology and biology like the development of optical coherent tomography. Photonics crystal fiber have been useful for supercontinuum generation allowing the use of relatively low peak power pulsed laser sources. Regarding this kind of devices, pulsed lasers made by integrated optics on glass seemed to be a good candidate. The aims of this work were hence to develop and realize Q-switched lasers for photonic crystal fiber pumping. We demonstrated the possibility to realize a supercontinuum source pumped by an integrated Q-switched laser made by ion exchange on Neodymium doped glass. The Fabry-Perot cavity used is closed by a dielectric mirror on one hand and by the waveguide facet on the other side allowing direct coupling with optical fiber. The saturable absorber has been hybridized on the amplifying waveguide to interact with the evanescent wave. (2.8 ± 0.6) kW peak-power pulses have been generated, which coupled in a photonic crystal fiber, generated a 440 nm to 1600 nm large supercontinuum. As a perspective, a mode-locked laser realized with the same technology has been demonstrated. We show that this laser operates in dissipative soliton regime. This laser is then preliminary characterized.

Le travail de thèse décrit plusieurs sources lasers originales spécifiquement développées pour deux applications particulières que sont la spectroscopie LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) et le marquage de câbles par laser. Les travaux sur la LIBS ont eu pour principaux objectifs de proposer de nouvelles solutions pour rapprocher les performances de la LIBS portable de celles de la LIBS de laboratoire et d’évaluer leur potentiel sur des applications géologiques. De nouvelles solutions de spectromètres (technologie SWIFTS) et de lasers compacts ont ainsi été évaluées et ont conduit par exemple à la réalisation d’un nouveau pistolet d’analyse LIBS portable. Les deux sources laser disposent de performances spécifiques : une première source compacte de très bonne qualité de faisceau émettant à 532 nm permettant d'obtenir une forte résolution spatiale adaptée à de la cartographie chimique de surface et une deuxième source infrarouge d'encombrement minimum et de qualité de faisceau plus faible mais d'une grande robustesse. La source laser développée pour le marquage par balayage est donc un laser Nd:YVO4 impulsionnel, quelques watts moyens, émettant dans l’ultraviolet à 355 nm. L’architecture originale utilisée, le « Cavity-Dumped », permet d’obtenir une durée d’impulsion constante (2 ns) quelle que soit la fréquence de répétition et donc une puissance crête élevée même à cadence importante. La très bonne qualité de faisceau observée a aussi permis d’obtenir un spot laser de très faible diamètre compatible avec un marquage précis et bien contrasté. / This work describes three original laser sources developed specifically for Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) and wire marking. The main goal of the work on the LIBS was to propose new solutions to make portable LIBS as efficient as laboratory LIBS and to evaluate their potential in geological applications. New spectrometers (based on SWIFTS technology) and compact lasers were evaluated and they led to the realization of a portable LIBS gun. The two types of analyze possible which are in situ analysis and chemical cartography of the sample surface led to design two specific lasers: a first compact source emitting at 532 nm with a high beam quality allowing a high spatial resolution and a second one with a lower beam quality but much more robust. The laser developed for marking is a Q-switched Nd:YVO4 emitting in the UV at 355 nm. The original architecture used, the “Cavity-Dumped”, make the pulse duration constant (2 ns) with any repetition rate so that the peak power is high even if the repetition rate is important. The very good beam quality observed makes the laser spot very small so that the marking is very precise and contrasted.

Ce mémoire présente des travaux portant sur le développement de trois sources lasers pompées longitudinalement par diodes laser et déclenchées activement par modulateur électro-optique pour deux applications spécifiques : la LIBS et le marquage par laser. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec deux sociétés : Bertin Technologies et SDAE.Le premier chapitre de ce manuscrit présente le développement d’une nouvelle source laser compacte, réalisée pour la société Bertin Technologies dans le cadre d’un projet de tri de matériaux plastiques par analyse spectroscopique de plasma induit par laser (LIBS). Cette technique d’analyse ponctuelle ainsi que le contexte spécifique du projet sont détaillés dans la première partie de ce chapitre. Ensuite, les différentes étapes de recherche et de développement qui ont permis d’aboutir à cette nouvelle source laser innovante, compacte et de hautes performances seront décrites en détail. Le second chapitre présente le développement de deux sources lasers pour le marquage industriel réalisées en partenariat avec la société SDAE. Après avoir présenté les principes et techniques généraux de l’application marquage ainsi que les contraintes spécifiques au projet, les deux sources lasers développées seront décrites. Des tests de LIBS et de marquage ont été réalisés grâce aux lasers développés / This thesis deals with the development of three lasers end-pumped by laser diode and actively Q-Switched by electro-optic Pockels cells for two specific applications: Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) and marking. This work was done in collaboration with two companies: Bertin Technologies and SDAE.In the first part, we present the development of a new compact laser source, made for Bertin Technologies as part of sorting of plastics waste by LIBS. This analysis technique and the specific context of the project will be detailed in the first part of this chapter. Then, the different steps of research and development which have resulted in this innovative, compact and high performance new laser are described in detail. The second part is devoted to the development of lasers for industrial marking accomplished in partnership with SDAE. More precisely, the general principles and techniques of laser marking are described as well as the specific constraints of this project. LIBS and laser marking tests will be done with these lasers